多層浮管結(jié)構(gòu)浮式防波堤消浪特性研究

劉 濱，張 余，馬 瑞，張金鳳

(1.中交第一航務工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220；2.天津大學建筑工程學院，天津 300072)

關(guān)鍵字：多層浮管結(jié)構(gòu)；浮式防波堤；消浪效果；透射系數(shù)

引言

目前，在海岸工程和港口工程中，防波堤常用的結(jié)構(gòu)型式為兩大類，一類為拋填結(jié)構(gòu)，如：拋石結(jié)構(gòu)和充填砂袋結(jié)構(gòu)等，另一類為預制安裝構(gòu)件結(jié)構(gòu)，如：沉箱結(jié)構(gòu)、半圓體結(jié)構(gòu)、箱桶結(jié)構(gòu)等。這兩類結(jié)構(gòu)為了達到滿意的消浪效果，防波堤的結(jié)構(gòu)斷面尺度往往比較大，材料用量多、工期長，工程造價隨著水深的增加而快速增長，另外，為了滿足結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定的要求，還需要開挖地基或者進行地基處理，從而引起環(huán)境污染等問題。

為了解決傳統(tǒng)防波堤的問題，考慮波浪能量主要集中于水體上層的特點，浮式防波堤結(jié)構(gòu)將主要消能結(jié)構(gòu)盡量分布在水體上層，消能結(jié)構(gòu)和波浪的能量分布相對應，從而有效消弱波浪能量、阻斷波浪沖擊力，堤后能提供良好的掩護。

目前浮式防波堤也有多種多樣[1-11]，吳維登[1]等研究的鋼管-輪胎式結(jié)構(gòu)、董華洋[2]等研究的水平板式結(jié)構(gòu)、張余[3]等研究的廢舊輪胎浮式結(jié)構(gòu)、王環(huán)宇[4]等研究的多孔浮式結(jié)構(gòu)等，大多采用整體鋪設(shè)在水面上，利用防波堤的體型壓制波浪，進行消能，但是隨著波浪的周期和波長不斷加大，浮式防波堤體型也會不斷加大，當波浪周期增大到10 s 以上情況時，一般的浮式防波堤消浪效果變差，不能提供有效的掩護條件。

1 消浪機理

浮式防波堤按消浪機理[12-15]來分主要有：

1）反射方式，利用浮堤的迎浪斷面，使波高反射，與入射波產(chǎn)生相位差以及摩擦等復合作用使堤后波高減小；

2）摩阻方式，主要利用浮堤沿波浪傳播方向的結(jié)構(gòu)長度，使入射波在浮堤上沿程破碎摩擦，從而消耗部分波能；

3）波浪破碎方式，主要利用浮堤結(jié)構(gòu)使波浪破碎，入射波作用在浮堤結(jié)構(gòu)上造成波能損耗，從而同時衰減反射波和透射波。

鑒于前兩種消浪機理多應用于浮筒和浮墊結(jié)構(gòu)，本文的其他結(jié)構(gòu)方案也采用這兩種消浪方式，本結(jié)構(gòu)方案考慮從第三種消浪機理入手，而對應該機理的結(jié)構(gòu)多采用柵欄式結(jié)構(gòu)。

根據(jù)微幅波的理論：

1）當水深與波長的比值d/L＞0.5 時，水體的質(zhì)點是循圓形軌跡運動，圓半徑按指數(shù)規(guī)律從水面向下衰減，水質(zhì)點的水平速度分量在水表面最大，隨著水面向下而急驟減小，在半水深處的速度約為水面的1/5。由于波浪的動能大部分靠近水面，采用浮堤消波效果很好；

2）當d/L≤0.05 時，為極淺水波，水質(zhì)點幾乎呈水平軌道往復運動，其速度水平分量從水面到水底幾乎不變；

3）0.05＜d/L＜0.5 時，為淺水波，水質(zhì)點軌跡為一橢圓，水平速度沿水深的衰減率介于二者之間。

本文主要研究周期為12 s 的波浪，波長較大為80～120 m，d/L 為0.1 左右，屬于淺水波。由于波浪水質(zhì)點運動速度的水平分量沿水深的分布規(guī)律實際上是波浪能量的分布規(guī)律，可知柵欄式結(jié)構(gòu)浮堤進行消波不能僅僅設(shè)置在水表面，需要豎直深入水中一定深度方能有效攔阻波浪水質(zhì)點運動，損耗波能。

目前，采用柵欄式浮式防波堤進行消浪的研究還不多，一般采用固定式，常見的幾種方案，如：斜坡式防波堤護面的柵欄板結(jié)構(gòu)、沉箱或扶壁式格柵防波堤[12]、單排樁式直立堤以及新型透空格柵板式防波堤[13]等。

圖1 格柵式防波堤示意圖

針對本文研究的內(nèi)容，在固定式樁基結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以改進，結(jié)合錨鏈固定方式提出半固定的格柵式浮管結(jié)構(gòu)。但單排樁式結(jié)構(gòu)一般適用于波浪周期較小的情況，波浪周期超過10 s 以上時，受孔隙率的影響波浪透射系數(shù)較大，很難達到理想的消浪效果，試圖通過控制格柵孔隙率和多層攔阻來達到理想的消浪效果。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

多層浮管結(jié)構(gòu)浮式防波堤結(jié)構(gòu)如圖2 所示，根據(jù)消浪效率的目標要求，本方案設(shè)置三層防波堤單元排，通過數(shù)模研究，每層防波堤單元排間隔四分之一波長布置，利用多層垂直漂浮于水體中的浮管對波浪進行攔阻，阻止波浪傳播，并使波浪通過浮管時破碎。浮管結(jié)構(gòu)在波浪作用下上下浮動、前后擺動，干擾波浪水質(zhì)點運動，使水質(zhì)點運動紊亂，反射、諧振和波浪破碎來減小透射波，達到消減波能的目的。

圖2 多層浮管結(jié)構(gòu)斷面圖

每層防波堤單元排為一獨立結(jié)構(gòu)，包括：主體結(jié)構(gòu)、拉索和錨碇結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)由多個浮管單元串聯(lián)且豎直懸浮于水體中形成浮體，各浮管單元之間設(shè)有間距形成孔隙；浮管單元的兩側(cè)及底部分別連接有拉索，拉索的另一端固定于沉放在海底的錨碇結(jié)構(gòu)上；錨碇結(jié)構(gòu)為聯(lián)鎖軟體排結(jié)構(gòu)。

在本結(jié)構(gòu)方案中豎向漂浮在水中的格柵狀的主體結(jié)構(gòu)是消浪的核心部件，而主體結(jié)構(gòu)則是由一個個浮管單元連接成為整體的，每個浮管單元主要由浮管、輪胎及空浮腔構(gòu)成。

根據(jù)計算，同時考慮浮管單元的強度和穩(wěn)定性，浮管單元中的浮管的材質(zhì)為鋼管，外直徑為0.48 m，壁厚20 mm，間距1.4 m 排列。浮管漂浮于水中，在空浮腔上下分成兩段，露出水面部分的高度為2 m，水深10 m 條件下空浮腔以下的高度為5.72 m，浮管的長度可以根據(jù)水深進行調(diào)節(jié)，根據(jù)數(shù)模計算的結(jié)果，若達到較好的消浪效果，建議浮管的入水長度與設(shè)計水深比大約為0.8～0.9 較為適宜。

浮管露出水面一定高度能阻擋波浪的爬高和越浪，從而降低越頂次生波在堤后的影響。經(jīng)過數(shù)模分析對比研究，露出高度與設(shè)計波高有直接聯(lián)系，一般設(shè)置為高于水位一倍波高較為適宜。

由于鋼管外表光滑，為加大糙率，使波浪在穿過格柵狀的浮管時能夠摩擦效能，浮管外采用包裹橡膠輪胎，既能提高波浪的摩擦效能，同時又增加浮力，保證整體浮式防波堤的浮游穩(wěn)定性。輪胎規(guī)格采用 49’×19’-20’，每個輪胎厚度0.51 m，外徑1.25 m，每根浮管上安裝上述規(guī)格的輪胎盡量包裹整個浮管。根據(jù)數(shù)模計算對比研究，浮管外面包裹輪胎以后形成的間隔孔隙對消浪效果影響較大，為達到本文設(shè)定的目標，本方案采用孔隙率為0.1，浮管、輪胎的排列如圖3 所示。

圖3 浮管結(jié)構(gòu)平面圖（單層）

11 個浮管單元依靠浮管中部的空浮腔和底部的連接鋼管連成一組防波堤單元，每組防波堤單元寬度為15.25 m。每組防波堤結(jié)構(gòu)中，相鄰兩根浮管中心間距為1.4 m，浮管外套輪胎后直徑為1.25 m，因此兩個浮體單元之間的縫隙寬度為0.15 m。水面以下1.8 m 范圍內(nèi)為空浮腔，空浮腔串聯(lián)一組單元內(nèi)的浮管，長度 15.25 m，高度1.3 m，給防波堤結(jié)構(gòu)提供必要的浮力。底部連接鋼管的外直徑0.48。每組防波堤單元中浮管間隔地用兩側(cè)16 根拉索及底部6 根拉索，固定在海底的聯(lián)鎖軟體排。聯(lián)鎖軟體排的分段長度為12.25 m，和防波堤單元分段相同。聯(lián)鎖軟體排采用多層混凝土連鎖軟體排體，厚度為1 m。每組防波堤結(jié)構(gòu)的浮管頂部可設(shè)置3 盞警示燈。

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)方案，考慮本多層浮管結(jié)構(gòu)的浮式防波堤的建造施工過程如下：

1）采用鋪排船將陸上提前預制好的聯(lián)鎖軟體排敷設(shè)在海底預定位置；

2）在陸上的預制場，將浮管、輪胎、空浮腔及連接鋼管安裝成一組一組的長度為15.25 m 防波堤單元；

3）采用船吊或滑道等方式將預制的防波堤單元下水，漂浮于水面，浮管和連接鋼管內(nèi)灌水調(diào)整姿態(tài)，使防波堤直立于水中；

4）在浮管兩側(cè)和底部安裝拉索，將拉索固定于聯(lián)鎖軟體排預設(shè)位置上；

5）采用聯(lián)鎖裝置將各個防波堤單元連鎖成為一整排，沿防波堤軸線方向依次布置多組防波堤結(jié)構(gòu)段，完成第一排防波堤；

6）在第一排防波堤后四分之一波長處，依上述順序施工第二排防波堤，在第二排防波堤后四分之一波長處施工第三排防波堤。

3 數(shù)值研究

根據(jù)本文的設(shè)定的技術(shù)條件和指標要求，對多層浮管結(jié)構(gòu)方案采用flow3D 軟件進行了數(shù)模研究，研究的主要內(nèi)容分為以下幾個方向展開。

1）針對消浪指標，確定本結(jié)構(gòu)方案影響消浪效果的技術(shù)參數(shù)；

2）針對每一項關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，采用Flow3D進行數(shù)模計算；

3）根據(jù)數(shù)模計算，綜合確定合理的技術(shù)參數(shù)。

結(jié)合本結(jié)構(gòu)方案，確定多層結(jié)構(gòu)間隔、孔隙率、入水深度比、出水高度這4 項指標對防波堤的消浪效果有直接的影響，因此，數(shù)模計算也圍繞著4 項指標進行的對比分析。

3.1 模型參數(shù)和方法

數(shù)模計算采用flow3D 軟件建立了一個標準模型，首先進行了數(shù)模驗證。

1）根據(jù)研究的波浪情況（水深h=10 m，波高H=2.5 m，周期T=10.4 s，波長L=100 m），建立一個計算用的水槽，水槽長650 m，寬3.7 m，高15 m，其中造波區(qū)長300 m，消波區(qū)長350 m。

2）在模型中輸入一組波浪，計算時間取8 個周期為83.2 s，間隔0.2 s 輸出結(jié)果。

3）對比理論值和數(shù)模計算模型的輸出結(jié)果波形基本一致，說明計算模型造波效果滿足計算要求。

3.2 淺水條件（水深5 m）

1）輸入條件

波浪條件：波高H=2.5 m，周期T=12 s，波長L=82 m，三排浮體間距S=0.3L=24.6 m ；

計算模型：水槽長560 m，寬3.7 m，高10 m，其中造波區(qū)長250 m，消波區(qū)長310 m ；

計算時間：取7 個周期84 s，間隔0.2 s。

2）計算工況

工況1：確定孔隙率、入水深度，調(diào)整出水高度，分析出水高度對透射系數(shù)的影響。

工況2：確定出水高度、入水深度，調(diào)整孔隙率，分析孔隙率對透射系數(shù)的影響。

工況3：確定孔隙率、出水高度，調(diào)整入水深度，分析入水深度對透射系數(shù)的影響。

3）計算結(jié)果

表1 工況1 計算結(jié)果

表2 工況2 計算結(jié)果

表3 工況3 計算結(jié)果

4.3 深水條件（水深10 m）

1）輸入條件

波浪條件：波高H=2.5 m，周期T=12 s，波長L=113 m，三排浮體間距S=0.3L=33.9 m；

計算模型：水槽長560 m，寬3.7 m，高10 m，其中造波區(qū)長250 m，消波區(qū)長310 m ；

計算時間：取7 個周期84 s，間隔0.2 s。

2）計算工況

工況1：確定孔隙率、入水深度，調(diào)整出水高度，分析出水高度對透射系數(shù)的影響；

工況2：確定出水高度、入水深度，調(diào)整孔隙率，分析孔隙率對透射系數(shù)的影響；

工況3：確定孔隙率、出水高度，調(diào)整入水深度，分析入水深度對透射系數(shù)的影響。

3）計算結(jié)果

表4 工況1 計算結(jié)果

表5 工況2 計算結(jié)果

表6 工況3 計算結(jié)果

3.4 消浪效果及分析

通過上述數(shù)值分析，對多層結(jié)構(gòu)間隔、孔隙率、入水深度、出水高度這4 項指標可得出以下基本結(jié)論：

1）通過設(shè)置一層、二層、三層浮管結(jié)構(gòu)對比分析，對于本文設(shè)定的周期為12s 的波浪，三層防波堤結(jié)構(gòu)間隔為1/3～1/4 波長可以有較好的消浪效果；

2）通過圖4～6 分析，在一定條件下，出水高度、入水深度均與透射系數(shù)成反比，孔隙率與透射系數(shù)成正比；

圖4 出水高度與透射系數(shù)關(guān)系曲線圖

3）入射波長越短，出水高度越接近入射波高，浮管之間的縫隙越小，浮管的入水深度越接近水深，消浪效果越好；

4）對于波陡（H/L）較大時，浮管的出水高度、入水深度均存在邊際效應，對于消浪效果的影響有限，孔隙率對于消浪效果的影響較大。

圖5 孔隙率與透射系數(shù)關(guān)系曲線圖

圖6 入水深度比與透射系數(shù)關(guān)系曲線圖

4 結(jié)語

本研究針對多層結(jié)構(gòu)間隔、孔隙率、入水深度、出水高度這4 項指標進行了研究，分析了各項指標對消浪效果的影響。由分析結(jié)果可知，即使在d/L＜0.1，周期較長（12 s）的波浪條件下，多層浮管式浮式防波堤結(jié)構(gòu)也能通過合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)取得較好的消浪效果。